JP2020204669A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】互いの光軸が拡散して出射される画像生成光をユーザの網膜に照射して画像を投影すること。【解決手段】画像生成部の複数の領域から複数の画像生成光が出射される投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに投影装置が出射する複数の画像生成光が入射し、前段のユニットが出射した複数の画像生成光が次段のユニットに入射する中継光学系と、中継光学系の最終段のユニットが出射した複数の画像生成光をユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、中継光学系の各ユニットは、各々の光軸が互いに拡散しかつ各々が略平行光である入射した複数の画像生成光を各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する第１光学部品と、第１光学部品から出射された複数の画像生成光を各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する第２光学部品と、を含む、画像表示装置。【選択図】図５

Description

本発明は、画像表示装置に関する。

画像を利用者の網膜に投影する様々な画像表示装置が知られている。例えば、レーザ光源が出射した光を平行光化し、液晶表示パネルを透過した平行光である画像生成光を集光して、マクスウェル視によって使用者の網膜に投影する装置が知られている。（例えば特許文献１）。

特開２００２−２８２２９９号公報

特許文献１では、液晶表示パネルを透過した画像生成光は平行光である。一方で一般の液晶プロジェクタなどの画像投影装置に備わる画像生成部の複数の領域から投射光学系を介して外部に出射される複数の画像生成光は互いの光軸が拡散する。このため、特許文献１の構成では、互いの光軸が拡散する画像生成光をマクスウエル視によって使用者の網膜に投影させることはできない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、画像を投影する画像投影装置の画像生成部から外部に出射される互いの光軸が拡散する画像生成光をユーザの網膜に照射して網膜に画像を投影することを目的とする。

本発明は、画像生成部の複数の領域から複数の画像生成光が出射される投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに前記投影装置が出射する前記複数の画像生成光が入射し、前段のユニットが出射した前記複数の画像生成光が次段のユニットに入射する中継光学系と、前記中継光学系の最終段のユニットが出射した前記複数の画像生成光をユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、前記中継光学系の各ユニットは、各々の光軸が互いに拡散しかつ各々が略平行光である入射した前記複数の画像生成光を各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する第１光学部品と、前記第１光学部品から出射された前記複数の画像生成光を各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する第２光学部品と、を含む、画像表示装置である。

上記構成において、前記中継光学系は、前記初段のユニットの前記第１光学部品の焦点に前記投射光学系の主点が略一致して配置される前記投影装置から出射される前記複数の画像生成光が前記初段のユニットの前記第１光学部品に入射する構成とすることができる。

上記構成において、前記投影装置は、透過型液晶プロジェクタ、反射型液晶プロジェクタ、またはＤＬＰプロジェクタである構成とすることができる。

上記構成において、前記照射光学系は、前記中継光学系が出射した前記複数の画像生成光を各々の光軸が前記ユーザの眼球内に収束しかつ各々が略平行光となるように変換する構成とすることができる。

上記構成において、前記投影装置の前記投射光学系と、前記眼球において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、は前記中継光学系および前記照射光学系を介し共役関係にある構成とすることができる。

上記構成において、前記前段のユニットが出射した前記複数の画像生成光各々の光軸は、前記前段のユニットと前記次段のユニットとの間において収束する構成とすることができる。

上記構成において、各ユニットの前において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、前記各ユニットの後において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、は前記各ユニットを介し共役関係にある構成とすることができる。

上記構成において、前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品との距離を調整する調整機構を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記中継光学系は、前記中継光学系を通過する前記複数の画像生成光の強度に基づき前記中継光学系を通過する前記複数の画像生成光の強度を調整する調整機構を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記中継光学系および前記照射光学系のうちの少なくとも一方は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットの前又は後において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面に前記複数の画像生成光が通過する開口を有するアパーチャを備える構成とすることができる。

本発明によれば、画像を投影する画像投影装置の画像生成部から外部に出射される互いの光軸が拡散する画像生成光をユーザの網膜に照射して網膜に画像を投影することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る画像表示装置のブロック図、図１（ｂ）は、実施例１において頭部に装着された照射光学系を示す図である。 図２（ａ）は、実施例１における投影装置のブロック図、図２（ｂ）は、液晶パネルの平面図である。 図３（ａ）は、実施例１における投影装置から出射される画像生成光のスクリーンへの照射を示す図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域Ａの拡大図である。 図４は、実施例１における中継光学系を示す図である。 図５（ａ）は、実施例１における中継光学系の初段のユニットを示す図、図５（ｂ）は、２段目以降のユニットを示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１における照射光学系を示す図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１およびその変形例１における中継光学系を示す図である。 図８は、実施例１の変形例２における最終段のユニットを示す図である。 図９は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。 図１０は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す斜視図である。 図１１は、実施例２の変形例１におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。 図１２は、実施例３における中継光学系の屈曲機構を示す図である。 図１３は、実施例４における中継光学系を示す図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例５およびその変形例１における中継光学系を示す図である。 図１５は、実施例５の変形例２における照射光学系を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る画像表示装置のブロック図である。図１（ａ）のように、画像表示装置１００は、投影装置３０から出射される光を網膜に直接照射するマクスウェル視型の画像表示装置であり、中継光学系１０および照射光学系２０を備える。投影装置３０は、例えば透過型液晶プロジェクタを有するスマートホン等の携帯情報端末または透過型液晶プロジェクタの携帯機器である。中継光学系１０は、脱着機構５８により投影装置３０に脱着可能である。中継光学系１０が脱着機構５８によって投影装置３０に装着されることで、中継光学系１０と投影装置３０の間隔が所定の間隔となる。中継光学系１０が投影装置３０に装着されると、中継光学系１０には投影装置３０から出射される画像生成光５０が入射する。中継光学系１０を経由した後に中継光学系１０から出射される画像生成光５０は照射光学系２０に入射する。照射光学系２０は画像生成光５０を反射してユーザの眼球７０に照射する。画像生成光５０の各光軸は眼球７０内の水晶体７２またはその付近で収束し、その後網膜７４に照射される。

図１（ｂ）は、実施例１において頭部に装着された照射光学系を示す図である。図１（ｂ）のように、照射光学系２０は、眼鏡型フレーム７８に装着されている。眼鏡型フレーム７８をユーザの頭部７６に装着すると、照射光学系２０はユーザの頭部７６に装着される。照射光学系２０には、中継光学系１０を介して投影装置３０が接続される。

図２（ａ）は、実施例１における投影装置のブロック図である。図２（ａ）のように、投影装置３０は、光源３１、ダイクロイックミラー３２ａおよび３２ｂ、反射ミラー３３ａ、３３ｂおよび３３ｃ、フィールドレンズ３４ａ、３４ｂおよび３４ｃ、液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃ、クロスダイクロイックプリズム３６、投射光学系３７、制御回路３８、および入力回路３９を備える。入力回路３９には、投影装置３０内または外のカメラおよび／または録画機器等から画像データが入力される。入力回路３９は入力された画像データを変換し制御回路３８に出力する。制御回路３８は、画像データに基づき光源３１および液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃを制御する。制御回路３８は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムと協働して処理を行ってもよい。制御回路３８は、専用に設計された回路でもよい。

光源３１は、例えばキセノンランプであり、白色光５１を出射する。白色光５１は、ダイクロイックミラー３２ａ、３２ｂに入射する。ダイクロイックミラー３２ａ、３２ｂは、白色光５１を青色光５１ａ（波長：４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度）、緑色光５１ｂ（波長：５１５ｎｍ〜５４０ｎｍ程度）、赤色光５１ｃ（波長：６１０ｎｍ〜６６０ｎｍ程度）に分離する。例えば、ダイクロイックミラー３２ａは、緑色光５１ｂ及び赤色光５１ｃを透過させ青色光５１ａを反射する。ダイクロイックミラー３２ｂは、緑色光５１ｂを反射し赤色光５１ｃを透過させる。

ダイクロイックミラー３２ａを反射した青色光５１ａは、反射ミラー３３ａを経て、入射角度を調整するためのフィールドレンズ３４ａに入射する。ダイクロイックミラー３２ａを透過しかつダイクロイックミラー３２ｂを反射した緑色光５１ｂは、入射角度を調整するためのフィールドレンズ３４ｂに入射する。ダイクロイックミラー３２ａ及び３２ｂを透過した赤色光５１ｃは、反射ミラー３３ｂ、３３ｃを経て、入射角度を調整するためのフィールドレンズ３４ｃに入射する。

フィールドレンズ３４ａを通過した青色光５１ａは液晶パネル３５ａに入射し照明する。フィールドレンズ３４ｂを通過した緑色光５１ｂは液晶パネル３５ｂに入射し照明する。フィールドレンズ３４ｃを通過した赤色光５１ｃは液晶パネル３５ｃに入射し照明する。液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃに入射した青色光５１ａ、緑色光５１ｂおよび赤色光５１ｃは、液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃに電気的信号として入力された駆動信号または画像信号に応じて変調される。液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃで変調された青色光５１ａ、緑色光５１ｂおよび赤色光５１ｃは、クロスダイクロイックプリズム３６で合成される。投射光学系３７は、クロスダイクロイックプリズム３６を経て合成された合成光を投影装置３０の外部に画像生成光５０として出射する。投射光学系３７は、１または複数のレンズを含んで構成されている。

図２（ｂ）は、液晶パネルの平面図である。図２（ｂ）では、液晶パネル３５ａ、３５ｂおよび３５ｃをまとめて液晶パネル３５として説明する。図２（ｂ）のように、液晶パネル３５は、画像を生成する平面形状の画像生成部４０を有する。青色光５１ａ、緑色光５１ｂおよび赤色光５１ｃは画像生成部４０に入射して照明する。画像生成部４０は複数の領域４１で構成される。領域４１は、例えば投影装置３０によって投影される画像の１つの画素に対応する。

図３（ａ）は、実施例１における投影装置によるスクリーンへの画像投影を示す図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域Ａの拡大図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、液晶パネル３５の画像生成部４０の複数の領域４１（図２（ｂ）参照）からそれぞれ複数の拡散光５２が出射される。投射光学系３７は、拡散光５２を十分遠く離れた（例えば数百ｍｍ以上離れた）スクリーン５３で焦点を結ぶように僅かに収束する略平行光である画像生成光５０に変換する。投影装置３０からは複数の画像生成光５０が外部に出射される。これにより、スクリーン５３に画像が投影される。このように、投影装置３０は、レーザ光等の光線をＭＥＭＳミラー等のスキャナーで走査することで画像を投影する走査型の投影装置ではなく、光線の走査は行わない非走査型の投影装置である。

画像生成部４０の複数の領域４１からそれぞれ出射される複数の拡散光５２は投射光学系３７に入射しない部分もあるが、図３（ａ）および図３（ｂ）では、投射光学系３７に入射しない部分については図示を省略している。また、画像生成光５０および拡散光５２において、３つの直線のうちの中央の破線は投射光学系３７を通過する光の光軸を示し、両側の実線は投射光学系３７を通過する光の端を示す。以下の同様な図においても同様である。また、投射光学系３７の主点を主点４２として示している。

図４は、実施例１における中継光学系を示す図である。図４のように、中継光学系１０は多段の複数のユニット１１を備える。複数のユニット１１は筐体１５内に設けられている。投影装置３０から出射された複数の画像生成光５０は中継光学系１０の初段のユニット１１に入射する。前段のユニット１１が出射した複数の画像生成光５０は次段のユニット１１に入射する。最終段のユニット１１が出射した複数の画像生成光５０は照射光学系２０に入射する。照射光学系２０が出射した複数の画像生成光５０は眼球７０内の仮想の収束面５５において収束する。各ユニット１１は光学部品１２および１３を備える。隣接するユニット１１の間には複数の画像生成光５０が収束する仮想の収束面５４が存在する。光学部品１２および１３は例えば凸レンズであり、無限系のレンズである。画像生成光５０が複数の色（例えばＲＧＢ）からなる場合、光学部品１２および１３は、樹脂回折レンズ、ダブレッドレンズ、またはスマートホンのカメラに用いる程度のサイズの多群レンズを用い色収差を最小にすることが好ましい。

図５（ａ）は、実施例１における中継光学系の初段のユニットを示す図、図５（ｂ）は、２段目以降のユニットを示す図である。図５（ａ）のように、初段のユニット１１の光学部品１２の焦点に投射光学系３７の主点４２が略一致して位置するように、中継光学系１０は投影装置３０に対して配置される。投影装置３０は、液晶パネル３５の画像生成部４０の複数の領域４１（図２（ｂ）参照）からそれぞれ出射される複数の拡散光５２ａ、５２ｂおよび５２ｃを投射光学系３７によって画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃに変換して外部に出射する。投影装置３０から出射された直後の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに拡散しかつ各々は若干収束するが略平行光である。投影装置３０から出射された直後の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、投射光学系３７と初段のユニット１１との間の距離に比べて投射光学系３７から十分に遠い所で焦点を結ぶようにされていることから、投射光学系３７と初段のユニット１１の間では略平行光とみなせる。

初段のユニット１１の光学部品１２は、各々の光軸が互いに拡散しかつ各々が略平行光である入射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する。光学部品１２を出射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは光学部品１２と１３との間において焦点４５を結ぶ。光学部品１３に入射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに略平行でありかつ各々は拡散光である。光学部品１３は、光学部品１２から出射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する。収束面５４ａは２段目のユニット１１との間の収束面５４である。収束面５４ａでは、複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸が収束しており、複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々は略平行光である。投射光学系３７と収束面５４ａとは初段のユニット１１を介して共役の関係にあり、例えば略等倍の共役関係にある。

図５（ｂ）のように、２段目以降のユニット１１の光学部品１２に入射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに拡散しかつ各々は略平行光である。光学部品１２は、初段のユニット１１と同じく、入射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する。光学部品１２を出射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、初段のユニット１１と同じく、光学部品１２と１３との間において焦点４５を結ぶ。光学部品１３に入射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに略平行でありかつ各々は拡散光である。光学部品１３は、初段のユニット１１と同じく、光学部品１２から出射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する。収束面５４ｂは前段のユニット１１との間の収束面５４である。収束面５４ｃは次段のユニット１１との間の収束面５４である。ユニット１１が最終段の場合、収束面５４ｃは照射光学系２０との間の収束面または眼球７０内の収束面５５に相当する。収束面５４ｂおよび５４ｃでは、複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸が収束しており、複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々は略平行光である。収束面５４ｂと５４ｃとはユニット１１を介して共役の関係にあり、例えば略等倍の共役関係にある。

ユニット１１を複数設けることで、中継光学系１０は、投影装置３０が出射した直後の画像生成光５０の視野角と同じ視野角で画像生成光５０を出射できる。例えば投影装置３０をユーザの胸ポケットに収納したとき、長さが３０ｃｍ程度の中継光学系１０を用いれば、投影装置３０を頭部の照射光学系２０に接続できる。焦点距離等を考慮すると、ユニット１１の個数は５個程度となる。ユニット１１の個数および長さは、適宜設定可能である。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１における照射光学系を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の拡大図である。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、照射光学系２０は、光学系２１と光学系２５を含む。光学系２１は、曲面ミラー２２、２４および平面ミラー２３を含む。曲面ミラー２２および２４の反射面は、自由曲面などの曲面である。曲面ミラー２２の外形は曲面ミラー２４よりも大きくなっている。平面ミラー２３の反射面は略平面である。

光学系２５は、曲面ミラー２６と曲面ミラー２８を含む。曲面ミラー２６および２８の反射面は、自由曲面などの曲面である。曲面ミラー２８の外形は曲面ミラー２６よりも大きくなっている。

曲面ミラー２２と２８は、例えば同じ曲面形状を有している。曲面ミラー２４と２６は、例えば同じ曲面形状を有している。これにより、曲面ミラー２２と２８、および、２４と２６は、それぞれ例えば略同じ焦点距離を有する。曲面ミラー２４と２６は、収束面５７を中心とした面対称の位置に配置されている。

収束面５６は中継光学系１０と照射光学系２０との間の収束面であり、収束面５５は眼球７０内の収束面である。中継光学系１０から出射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は収束面５６で収束する。中継光学系１０から出射された直後の複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは略平行光である。曲面ミラー２２で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに略平行でありかつ各々は収束光である。複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを曲面ミラー２４へ導くため、光路を屈曲させる目的で平面ミラー２３が設けられている。曲面ミラー２２で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは焦点４６で合焦する。焦点４６は平面ミラー２３上であってもよい。

曲面ミラー２４で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに収束しかつ各々は略平行光である。曲面ミラー２４で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は収束面５７において収束する。曲面ミラー２６で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに略平行でありかつ各々は収束光である。曲面ミラー２６で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは焦点４７において合焦する。曲面ミラー２８で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は互いに収束しかつ各々は略平行光である。曲面ミラー２８で反射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸は眼球７０内の収束面５５において収束しかつ各々はほぼ網膜７４において合焦する。

収束面５６と５７とは光学系２１を介し等倍の共役関係であり、収束面５７と５５とは光学系２５を介し等倍の共役関係にある。これにより、収束面５６と５５とは等倍の共役関係にある。投影装置３０の投射光学系３７と収束面５６とは中継光学系１０を介し等倍の共役関係にあることから、投射光学系３７と収束面５５とは中継光学系１０および照射光学系２０を介し等倍の共役関係となる。これにより、投影装置３０が投影した画像を網膜７４に投影することができる。

実施例１によれば、画像を生成する画像生成部４０の複数の領域４１それぞれから出射される複数の拡散光５２が投射光学系３７を通過してそれぞれ複数の画像生成光５０として外部に出射されることで画像を投影する投影装置３０を用いる。中継光学系１０は、投影装置３０に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニット１１を備え、初段のユニットに投影装置３０が出射する複数の画像生成光５０が入射し、前段のユニットが出射した複数の画像生成光５０が次段のユニットに入射する。照射光学系２０は、ユーザの頭部７６に装着され、中継光学系１０の最終段のユニット１１が出射した複数の画像生成光５０をユーザの網膜７４に照射する。中継光学系１０の各ユニットは、光学部品１２および光学部品１３を含む。光学部品１２は、各々の光軸が互いに拡散しかつ各々が略平行光である入射した複数の画像生成光５０を各々の光軸が略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する。光学部品１３は、光学部品１２から出射された複数の画像生成光５０を各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する。

これにより、投影装置３０から出射される複数の画像生成光５０をユーザの眼球７０内の収束面５５で収束させた後に網膜７４に照射して網膜７４に画像を投影することができる。つまり、投影装置３０から出射される画像の全体またはその一部をマクスウエル視によってユーザが視認することができる。また、投影装置３０が出射した複数の画像生成光５０を網膜７４に照射できるため、投影装置３０を頭部７６に装着しなくてもよい。よって、頭部７６に装着するユニットを小型化できる。また、電磁波の輻射対策および／または放熱対策が不要なため、頭部７６に装着するユニットをより小型化できる。部品点数を少なくできるため、製造工程の短縮および簡素化が可能となる。複数の画像生成光５０各々の光軸が略平行および各々が略平行光とは、投影装置３０からの画像が網膜７４に投影できる程度に略平行および略平行光であればよい。

中継光学系１０は、初段のユニット１１の光学部品１２の焦点に投射光学系３７の主点４２が略一致して配置される投影装置３０から出射される複数の画像生成光５０が初段のユニット１１の光学部品１２に入射する。これにより、投影装置３０によってユーザの網膜に画像を投影できる。初段のユニット１１の光学部品１２の焦点に投射光学系３７の主点４２が略一致するとは、投影装置３０からの画像が網膜７４に投影できる程度に略一致していればよい。

照射光学系２０は、中継光学系１０が出射した複数の画像生成光５０を各々の光軸がユーザの眼球７０内に収束しかつ各々が略平行光となるように変換する。これにより、ユーザの網膜に画像を投影できる。

投影装置３０の投射光学系３７と眼球７０において複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面５５とは中継光学系１０および照射光学系２０を介して共役関係にある。これにより、ユーザの網膜に画像を投影できる。

前段のユニット１１が出射した複数の画像生成光５０各々の光軸は前段のユニット１１と次段のユニット１１との間において収束する。これにより、ユニット１１により光線を中継できる。

各ユニット１１の前において複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面５４ｂと各ユニット１１の後において複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面５４ｃとは各ユニット１１を介し共役関係にある。これにより、ユニット１１により光線を中継できる。

［実施例１の変形例１］
図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１およびその変形例１における中継光学系を示す図である。図７（ａ）のように、実施例１では、中継光学系１０の各ユニット１１は等倍光学系である。中継光学系１０と照射光学系２０との間の収束面５６と、投影装置３０の投射光学系３７とは、中継光学系１０を介し等倍の共役関係にある。

図７（ｂ）のように、実施例１の変形例１では、中継光学系１０ａは複数のユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを備える。ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃは各々光学部品１２および１３を備える。ユニット１１ｂは等倍光学系であるが、ユニット１１ａおよび１１ｃは等倍光学系ではない。ユニット１１ａは１／２倍光学系であり、ユニット１１ｃは２倍光学系である。ユニット１１ａは視野角を１／２倍にし、光線の径を２倍とする。ユニット１１ｃは視野角を２倍にし、光線の径を１／２倍にする。これにより、投射光学系３７と収束面５６とは中継光学系１０を介し等倍の共役関係となる。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例１のように、中継光学系１０の複数のユニット１１の各ユニット１１は等倍光学系である。これにより、中継光学系１０の設計が容易となる。

実施例１の変形例１のように、中継光学系１０の複数のユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの少なくとも１つは等倍光学系でない。これにより、各ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃ間の距離および各ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの長さを自由に設計できる。図７（ａ）および図７（ｂ）の例では、実施例１の変形例１ではユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの個数を実施例１より少なくできる。また、ユニット１１ａと１１ｂとの間を長くできるため、この間に他の光学部品（例えば平面ミラーまたはハーフミラー）等を配置し易い。このように、部品点数の削減、取り付け精度の緩和および／または形状の自由度を確保し易くなる。

［実施例１の変形例２］
図８は、実施例１の変形例２における最終段のユニットを示す図である。図８のように、最終段のユニット１１ｄは等倍の光学系ではなく、例えば拡大光学系である。例えば光学部品１２および／または１３の開口数ＮＡが他のユニットと異なる。最終段のユニット１１ｄ以外のユニット１１は等倍光学系である。これにより、投影装置３０が出射する画像生成光５０の視野角に対し照射光学系２０に出射する画像生成光５０の視野角を拡大または縮小できる。例えば投影装置３０が出射する画像生成光５０の直径が１．０ｍｍであり、視野角が４０°のとき、ユニット１１ｄを２倍光学系とすると、中継光学系１０が出射する画像生成光５０の直径を０．５ｍｍとし、視野角を８０°程度とすることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１およびその変形例１のように、中継光学系１０は等倍光学系でもよい。実施例１の変形例２のように、中継光学系１０は等倍光学系でなくてもよい。同様に、照射光学系２０は等倍光学系でもよく、等倍光学系でなくてもよい。

実施例２は、中継光学系１０をユニット１１間において屈曲可能な例である。図９は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す図であり、図１０は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す斜視図である。図９および図１０のように、前段のユニット１１ａと後段のユニット１１ｂとの間に屈曲機構１６が設けられている。屈曲機構１６は、平面ミラー８０および８１を有している。ユニット１１ａの光学部品１３から出射された画像生成光５０は平面ミラー８０において反射される。複数の画像生成光５０各々の光軸は収束面８８において収束する。複数の画像生成光５０各々の光軸はその後互いに拡散し平面ミラー８１において反射される。その後画像生成光５０はユニット１１ｂの光学部品１２に入射する。

平面ミラー８０はユニット１１ａの光軸１９ａに対し４５°傾いており、平面ミラー８１はユニット１１ｂの光軸１９ｂに対し４５°傾いている。矢印８２のように、屈曲機構１６は、収束面８８の中心軸を中心にユニット１１ｂおよび平面ミラー８１をユニット１１ａおよび平面ミラー８０に対し回転させる。これにより、ユニット１１ａと１１ｂとを屈曲させることができる。矢印８２の回転角は任意に設定できるが、画像が傾斜することを抑制するため回転角は９０°間隔であることが好ましい。例えば、回転角が９０°ごとに回転抑止機構を設ける。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［実施例２の変形例１］
図１１は、実施例２の変形例１におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。図１１のように、前段のユニット１１ａと後段のユニット１１ｂとの間に屈曲機構１７が設けられている。屈曲機構１７は、ハーフミラー８３および８４と、ハーフミラー８３および８４を傾かせる機構８６と、を有している。ユニット１１ａの光学部品１３から出射された画像生成光５０はハーフミラー８３を透過し、ハーフミラー８４において反射される。その後、画像生成光５０は、ハーフミラー８３において反射され、ハーフミラー８４を透過し、ユニット１１ｂの光学部品１２に入射する。

ユニット１１ａの光軸１９ａとユニット１１ｂの光軸１９ｂとがほぼ一致するとき、光軸１９ａに直交する平面８５ａと光軸１９ｂに直交する平面８５ｂとはほぼ平行である。矢印８２のように、ユニット１１ｂの光軸１９ｂがユニット１１ａの光軸１９ａに対し角度θ０傾いたとき、機構８６はハーフミラー８３を平面８５ａに対し矢印８２と同じ方向に角度θ０と略同じ大きさの角度θ１傾ける。また、機構８６はハーフミラー８４を平面８５ｂに対し矢印８２と反対の方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ２傾ける。言い換えると、機構８６はハーフミラー８４を光軸１９ａに直交する平面８５ｃに対し矢印８２と同じ方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ３傾ける。これにより、ユニット１１ａと１１ｂとを任意の角度屈曲させることができる。機構８６は、例えばギア機構又はリンク機構等を用いることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２およびその変形例１によれば、中継光学系１０は、複数のユニット１１のうち隣接する２つのユニット１１ａおよび１１ｂの光軸１９ａおよび１９ｂのなす角を変更する屈曲機構１６および１７（変更機構）を備える。これにより、中継光学系１０の形状を任意に変更できる。

実施例３は、中継光学系が１つのユニット１１に備わる光学部品１２と１３の間で屈曲可能な例である。図１２は、実施例３における中継光学系の屈曲機構を示す図である。図１２のように、１つのユニット１１に備わる光学部品１２と１３の間に配置されたハーフミラー８３および８４と、機構８６と、を含む屈曲機構１８を備える。光学部品１２から出射された複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、ハーフミラー８３を透過し、ハーフミラー８４において反射される。その後、画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、ハーフミラー８３において反射され、ハーフミラー８４を透過し、光学部品１３に入射する。矢印８７のように、光学部品１３の光軸１９ｄが光学部品１２の光軸１９ｃに対し角度θ０傾いたとき、機構８６はハーフミラー８３を光軸１９ｃに直交する平面８５ｄに対して矢印８７と同じ方向に角度θ０と略同じ大きさの角度θ１傾ける。また、機構８６はハーフミラー８４を光軸１９ｄに直交する平面８５ｅに対し矢印８７と反対の方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ２傾ける。言い換えると、機構８６はハーフミラー８４を光軸１９ｃに直交する平面８５ｆに対し矢印８７と同じ方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ３傾ける。これにより、１つのユニット１１内において光学部品１２と１３とを任意の角度屈曲させることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２の変形例１および実施例３において、角度θ１が角度θ０と略同じ角度及び角度θ２、θ３が角度θ０の略半分の角度とは、中継光学系１０で光の伝搬を維持できる程度に略同じ及び略半分の角度であればよい。角度θ１は、角度θ０の±１°以下であればよく、角度θ０と同じ角度である場合が好ましい。角度θ２、θ３は、角度θ０の１／２の角度の±１°以下であればよく、角度θ０の半分の角度である場合が好ましい。

実施例２の変形例１では、図１１のように、中継光学系１０が隣接するユニット１１ａおよび１１ｂの間で屈曲する場合を例に示した。しかしながら、この場合に限られず、実施例３のように、中継光学系１０は１つのユニット１１内の光学部品１２と１３の間で屈曲する場合でもよい。

光学部品１２は、入射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する。光学部品１３は、光学部品１２が出射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを各々光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する。実施例２の変形例１のように、ユニット１１ａの光学部品１３とユニット１１ｂの光学部品１２との間にハーフミラー８３、８４が配置される場合、ハーフミラー８３、８４には略平行光の画像生成光５０が入射する。ユニット１１ａに対するユニット１１ｂの傾きが小さい場合、ハーフミラー８３、８４を反射せずに透過した画像生成光５０がユーザの網膜に照射されることがある。ハーフミラー８３を透過してハーフミラー８４で反射した後にハーフミラー８３で反射されてハーフミラー８４を透過する正規の光路を進む画像生成光５０と、ハーフミラー８３、８４を反射せずにそのまま透過する非正規の光路を進む画像生成光５０と、では光路長が異なる。しかしながら、ハーフミラー８３、８４に入射する画像生成光５０が略平行光である場合では、ハーフミラー８３、８４を反射せずに透過した画像生成光５０がユーザの網膜近傍で合焦し、その結果、ユーザの網膜に所望の画像を良好に投影できない場合がある。

これに対し、実施例３では、１つのユニット１１の光学部品１２と光学部品１３の間にハーフミラー８３、８４が配置されているため、ハーフミラー８３、８４には収束光又は拡散光の画像生成光５０が入射する。ハーフミラー８３を透過してハーフミラー８４で反射した後にハーフミラー８３で反射されてハーフミラー８４を透過する正規の光路を進む画像生成光５０と、ハーフミラー８３、８４を反射せずにそのまま透過する非正規の光路を進む画像生成光５０と、では光路長が異なる。このため、ハーフミラー８３、８４に入射する画像生成光５０が収束光又は拡散光である場合では、ハーフミラー８３、８４を反射せずに透過した画像生成光５０はユーザの網膜近傍で合焦することが抑制され、その結果、ユーザの網膜に所望の画像を良好に投影することができる。

図１２のように、ハーフミラー８４は、光学部品１２が出射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃのうちの中央に位置する画像生成光５０ｂが入射する位置を含む線分を軸として傾くことが好ましい。これにより、光学部品１２の光軸１９ｃに対して光学部品１３の光軸１９ｄを矢印８７の方向に傾かせた場合と矢印８７とは反対側の方向に傾かせた場合とでハーフミラー８４は対称に傾くようになるため、中継光学系１０の屈曲が行い易くなる。光学部品１２が出射する複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃのうちの中央に位置する光線とは、投影される画像の中央に位置する画素に対応する画像生成光５０ｂである。

実施例２の変形例１のように、ハーフミラー８３および８４がユニット１１ａの光学部品１３とユニット１１ｂの光学部品１２の間に配置されている場合では、ハーフミラー８４は、ユニット１１ａの光学部品１３が出射する複数の画像生成光５０各々の光軸が略収束する位置を含む線分を軸として傾くことが好ましい。これにより、径方向の装置サイズの拡大を抑制できる。

図１３は、実施例４における中継光学系を示す図である。図１３のように、中継光学系１０ｂは、制御部９０、ハーフミラー９１、検出器９２、減光調整機構９３、減光フィルタ９４ａ、９４ｂ、および焦点調整機構９６を備える。ハーフミラー９１は中継光学系１０ｂを通過する画像生成光５０の一部を分離光９５として分離する。検出器９２は、分離光９５の強度を検出する。制御部９０は、検出器９２の出力信号に基づき、減光調整機構９３を制御する。

検出器９２は、分離光９５の強度を検出することで、中継光学系１０ｂを通過する画像生成光５０の強度を検出できる。制御部９０は検出器９２が検出した画像生成光５０の強度に基づき減光調整機構９３に画像生成光５０を減光させる。減光調整機構９３は例えば液晶フィルタであり、画像生成光５０の減光率を変更できる。また、画像生成光５０を遮断できる。

減光調整機構９３は中継光学系１０ｂを通過する画像生成光５０の強度が所定の値を越えないように画像生成光５０の強度を調整する。これにより、中継光学系１０ｂが出射する画像生成光５０の強度を適切に調整できるので、画像表示装置の安全性を向上させることができる。制御部９０および減光調整機構９３は画像生成光５０の強度が所定以上となった場合には、画像生成光５０を遮断してもよい。また、制御部９０および減光調整機構９３は画像生成光５０の強度をフィードバック制御することでほぼ一定とすることもできる。検出器９２が画像生成光５０の強度を検出する位置は、中継光学系１０ｂ内の任意の位置に設定できる。減光調整機構９３を設ける位置は、中継光学系１０ｂ内の任意の位置に設定できる。

減光フィルタ９４ａおよび９４ｂは一定の減光率を有する。１または複数の減光フィルタ９４ａおよび９４ｂを設けることによっても、画像生成光５０の強度を制限することができるので、減光フィルタ９４ａおよび９４ｂによっても画像表示装置の安全性を向上させることができる。ここで、減光フィルタ９４ａおよび９４ｂはユニット１１間およびユニット１１内の任意の位置に設けることができる。画像生成光５０の強度や、中継光学系１０ｂの大きさなどに応じて、減光調整機構および減光フィルタを両方設置してもよいし、いずれか一方を設置するようにしてもよい。

焦点調整機構９６は光学部品１２と１３との間の距離を調整する。投影装置３０が出射する画像生成光５０は略平行光であるが、中継光学系１０ｂと同程度以上の距離（例えば５０ｃｍ）において焦点を結ぶ。焦点を結ぶ距離は投影装置３０により変わることがある。これにより、網膜７４近傍の合焦位置が変わる。そこで、複数のユニット１１のうち少なくとも１つのユニットにおける光学部品１２と１３との距離を調整する焦点調整機構９６を設ける。これにより、画像生成光５０を網膜７４に合焦させることができる。

その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。減光調整機構９３、減光フィルタ９４ａ、９４ｂおよび焦点調整機構９６は、実施例１、２およびその変形例に設けることもできる。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例５およびその変形例１における中継光学系を示す図である。図１４（ａ）のように、実施例５では、中継光学系１０ｃの各ユニット１１が等倍光学系である。図１４（ｂ）のように、実施例５の変形例１では、中継光学系１０ｄのユニット１１ｂは等倍光学系、ユニット１１ａは１／２倍光学系、ユニット１１ｃは２倍光学系である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）のように、実施例５およびその変形例１における中継光学系１０ｃ、１０ｄでは、ユニット間で複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面に複数の画像生成光５０が通過する開口を有するアパーチャ９７が設けられている。

図１５は、実施例５の変形例２における照射光学系を示す図である。図１５のように、実施例５の変形例２における照射光学系２０ａでは、中継光学系１０の最終段のユニット１１が出射した複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ各々の光軸が収束する収束面に複数の画像生成光５０ａ、５０ｂおよび５０ｃが通過する開口を有するアパーチャ９７が設けられている。

アパーチャ９７は、ユニット１１の前又は後において複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面の全てに設けられていてもよいが、少なくとも１つの収束面に設けられていればよい。アパーチャ９７は、複数の画像生成光５０が通過する開口径が固定されているアパーチャでもよいし、開口径の調整が可能なアパーチャでもよい。

図１４（ａ）から図１５のように、中継光学系及び照射光学系の少なくとも一方は、複数のユニット１１のうちの少なくとも１つのユニット１１の前又は後において複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面に複数の画像生成光５０が通過する開口を有するアパーチャ９７を備えることが好ましい。アパーチャ９７によって画像生成光５０の直径を調整することができる。例えば、投影装置３０から出射される画像生成光５０の直径が１ｍｍ程度になることがある。また、投影装置３０が投影する原画像よりも視野角を狭くした状態でユーザの網膜に画像を投影しようとするとユーザの角膜に入射するときの画像生成光５０の直径は拡大する傾向となる。ユーザの網膜にフォーカスフリーの画像を投影しようとする場合、ユーザの角膜に入射するときの画像生成光５０の直径は０．８ｍｍ以下であることが好ましい。そこで、実施例５では、複数の画像生成光５０各々の光軸が収束する収束面にアパーチャ９７を配置する。これにより、画像生成光５０の直径を調整することができ、ユーザの角膜に入射するときの画像生成光５０の直径を適切な大きさにしてフォーカスフリーの画像を投影することが可能となる。

実施例１から実施例５では、投影装置３０が透過型液晶プロジェクタである場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。投影装置３０は、例えば反射型液晶プロジェクタまたはＤＬＰ（Digital Light Processing）プロジェクタ等、その他の非走査型投影装置の場合でもよい。これにより、投影装置３０が汎用的なプロジェクタであっても、投影装置３０から出射される画像生成光を、画像表示装置１００を介することによって、マクスウェル視によりユーザの網膜へ投影することができる。このため、ユーザは、前眼部の影響を受け難い状態で、投影装置３０から投影される画像を視認することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 中継光学系
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ユニット
１２、１３ 光学部品
１５ 筐体
１６、１７、１８ 屈曲機構
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 光軸
２０、２０ａ 照射光学系
３０ 投影装置
３１ 光源
３５、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ 液晶パネル
３７ 投射光学系
４０ 画像生成部
４１ 領域
４２ 主点
４５、４６、４７ 焦点
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ 画像生成光
５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 拡散光
５３ スクリーン
５４、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５５、５６、５７ 収束面
５８ 脱着機構
７０ 眼球
７４ 網膜
８０、８１ 平面ミラー
８３、８４ ハーフミラー
８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄ、８５ｅ、８５ｆ 平面
８６ 機構
９３ 減光調整機構
９４ａ、９４ｂ 減光フィルタ
９６ 焦点調整機構
９７ アパーチャ
１００ 画像表示装置

Claims (10)

1. 画像生成部の複数の領域から複数の画像生成光が出射される投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに前記投影装置が出射する前記複数の画像生成光が入射し、前段のユニットが出射した前記複数の画像生成光が次段のユニットに入射する中継光学系と、
   前記中継光学系の最終段のユニットが出射した前記複数の画像生成光をユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、
   前記中継光学系の各ユニットは、各々の光軸が互いに拡散しかつ各々が略平行光である入射した前記複数の画像生成光を各々の光軸が互いに略平行でありかつ各々が収束光となるように変換する第１光学部品と、前記第１光学部品から出射された前記複数の画像生成光を各々の光軸が互いに収束しかつ各々が略平行光となるように変換する第２光学部品と、を含む、画像表示装置。
2. 前記中継光学系は、前記初段のユニットの前記第１光学部品の焦点に前記投射光学系の主点が略一致して配置される前記投影装置から出射される前記複数の画像生成光が前記初段のユニットの前記第１光学部品に入射する、請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記投影装置は、透過型液晶プロジェクタ、反射型液晶プロジェクタ、またはＤＬＰプロジェクタである、請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 前記照射光学系は、前記中継光学系が出射した前記複数の画像生成光を各々の光軸が前記ユーザの眼球内に収束しかつ各々が略平行光となるように変換する、請求項１から３のいずれか一項記載の画像表示装置。
5. 前記投影装置の前記投射光学系と、前記眼球において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、は前記中継光学系および前記照射光学系を介し共役関係にある、請求項４記載の画像表示装置。
6. 前記前段のユニットが出射した前記複数の画像生成光各々の光軸は、前記前段のユニットと前記次段のユニットとの間において収束する、請求項１から５のいずれか一項記載の画像表示装置。
7. 各ユニットの前において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、前記各ユニットの後において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面と、は前記各ユニットを介し共役関係にある、請求項６記載の画像表示装置。
8. 前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品との距離を調整する調整機構を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 前記中継光学系は、前記中継光学系を通過する前記複数の画像生成光の強度に基づき前記中継光学系を通過する前記複数の画像生成光の強度を調整する調整機構を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記中継光学系および前記照射光学系のうちの少なくとも一方は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットの前又は後において前記複数の画像生成光各々の光軸が収束する収束面に前記複数の画像生成光が通過する開口を有するアパーチャを備える、請求項１から９のいずれか一項記載の画像表示装置。

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